《基于STM32的智能儲物系統(tǒng)設計與實現(xiàn)》7900字（論文）

II第一章緒論1.1選題背景隨著共享理念的滲透，越來越多的“共享+”開始出現(xiàn)。與此同時，隨著嵌入式電子技術的飛速發(fā)展，電子技術的相關產(chǎn)品在日常中的應用也日益增多，其中，儲物柜由于自身的方便性得到了廣泛的應用[1]。但是現(xiàn)如今的儲物柜使用大部分是在學校、超市、等固定場合[2]。機械鎖系統(tǒng)采用非常傳統(tǒng)的機械鎖結構。用戶使用相應的鑰匙來開關儲物柜,該系統(tǒng)安全性差,管理不便,因此逐漸被電子式儲物柜代替[3]。然而對于如今市面上的電子儲物柜，相比較于機械儲物柜確實更加方便，但如今市面上大多數(shù)的電子式儲物柜都是采用IC卡或者掃碼解鎖，對于日常使用，這樣似乎也很繁瑣。而且由于箱體本身巨大，會占用大量的生活空間，并且價格昂貴，并不適合在日常家庭生活中使用。在互聯(lián)網(wǎng)+時代，電子商務的發(fā)展帶動了快遞業(yè)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡購物已經(jīng)成為人們生活中的常態(tài)，尤其是在年輕人中，這一特點更為突出[4]。不管老人還是小孩很多都漸漸學會了網(wǎng)上購物，于是各式各樣的物品出現(xiàn)在日常家庭生活中，面對琳瑯滿目的物品，如何儲存成為了一個大家都需要面對的問題。傳統(tǒng)的柜式儲物箱存儲空間較大，但是由于箱體本身也很大，會占用大量的生活空間，使用起來性價比比較低。而且對于小型物品，比如工具、藥品等，使用起來并不容易尋找，因為箱體本身空間較大，容易把許多物品混在一起，在需要使用時更是常常因為忘記放置的位置，導致需要翻箱倒柜花費大量時間尋找。由此可以看出傳統(tǒng)儲物柜如今的局限性。如何快速準確的分類和拾取所需要的物品，在這個“時間就是生命”的年代就顯得尤為重要[5]。構建智能儲物柜系統(tǒng)，大大提升了儲物柜系統(tǒng)的便利性、安全性及信息化管理[6]，對于許多人來說是非常有意義的事?；诖耍敬握n題主要是針對這些問題進行研究。1.2研究意義日常生活中常用的傳統(tǒng)儲物柜一般分為機械儲物柜和電子儲物柜。傳統(tǒng)機械鎖采用傳統(tǒng)機械鎖的結構。用戶必須使用鑰匙打開和關閉儲物柜。用戶必須隨身攜帶這把鑰匙才能取東西。如果用戶遺失鑰匙，就會帶來取物的麻煩[7]。傳統(tǒng)儲物柜系統(tǒng)一般不聯(lián)網(wǎng)，需由管理員定期來清柜及故障處理,使用起來比較麻煩，并且出現(xiàn)此類問題時處理起來比較浪費時間。而如今市面上的電子式儲物柜，體積大、價格高，而且多數(shù)是使用條形碼掃描來控制打開儲物柜，更多是用在超市、商場等大型場合，并不適用與普通家庭、辦公室、醫(yī)院以及實驗室等地方。并且使用紙質的條形碼掃描，相對來說也比教浪費。這種形式也不適用于小場合的智能儲物柜。本課題主要針對普通家庭、辦公室、醫(yī)院以及實驗室等地方，這些地方經(jīng)常需要存放的物品種類比較繁多，而且經(jīng)常需要小批量多次取用。而如今市面上的智能儲物柜體積大、價格昂貴，對于普通家庭、實驗室等地方使用起來性價比低。本次設計的智能儲物柜，沒有采用傳統(tǒng)的長方體形柜子，而是選擇了圓柱形箱體。由于本次設計通過攝像頭采集圖像信息的，長方體柜子需要在每個格子里都安裝攝像頭，操作麻煩而且成本比較高，而圓柱形柜子則可以在底部安裝電機控制它旋轉，這樣只需要在頂部安裝一個攝像頭，操作相對簡單也節(jié)約成本。它采用OV2640圖像傳感器采集物品存放的圖像信息，能夠讓用戶更快的找到需要的物品。本次設計是基于STM32單片機的，STM32單片機價格低廉、特性好、性價比高[8]，很適合應用于此次設計。不僅如此，本次設計的智能儲物箱的箱體并不是采用傳統(tǒng)的長方體柜式形狀，而是選擇了一個圓柱形的箱體，這樣子也可以避免傳統(tǒng)柜式箱體四角比較尖銳的問題，對于家庭中的小朋友來說也能夠避免一些安全隱患。此次設計能夠讓日常工作以及生活更加便利，是一項很有意義的研究。1.3研究內(nèi)容與結構儲物箱系統(tǒng)由頂部攝像頭對存放的物品進行圖像采集，并通過WiFi傳輸發(fā)送到客戶端。智能儲物箱主要模塊分為STM32主控芯片模塊、圖像采集與上傳模塊、WiFi傳輸模塊、箱體、驅動部分組成。本文結構分為以下幾個部分：第一章緒論主要介紹了智能儲物箱的選題背景以及研究意義；第二章智能儲物箱的系統(tǒng)結構主要介紹了智能儲物箱的硬件部分的組成、功能以及本次設計所使用的硬件型號；軟件系統(tǒng)設計主要介紹了智能儲物箱的軟件部分；第四章系統(tǒng)調試與驗證主要介紹了智能儲物箱的調試與驗證過程；第五章設計成果展示與論文總結主要是對智能儲物箱的成果進行展示以及對論文的總結；1.4本章小結本章主要介紹了智能儲物箱的選題背景、選題意義以及研究內(nèi)容與結構。下一章將要介紹智能儲物箱的系統(tǒng)結構。第二章智能儲物箱的系統(tǒng)結構2.1設計任務及分析智能儲物箱需要實現(xiàn)的功能為：將攝像頭放置在儲物箱的上端，儲物箱為圓柱形，下方安置有電機，通過電機控制儲物箱旋轉，電機旋轉的角度可以根據(jù)自己的需求進行調整。然后通過上方的攝像頭對存放進儲物箱的物品進行圖像信息采集，并通過圖像采集與上傳模塊將拍攝到的物品存放信息進行數(shù)據(jù)封裝，封裝好圖片數(shù)據(jù)之后，通過WiFi傳輸模塊將已經(jīng)封裝完整的圖片信息發(fā)送到客戶端，并且按時間順序保存到指定文件夾，之后就可以實現(xiàn)電腦端的圖片顯示。根據(jù)智能儲物箱的功能定義，選擇儲物箱主控模塊及附屬模塊。由于STM32單片機價格低廉、功耗低、穩(wěn)定性好，所以我們選擇STM32作為智能儲物箱的主控芯片。OV2640圖像傳感器的像素在200萬，并且價格先對較低，性價比很高，因此選擇它作為附屬模塊。8801WiFi芯片穩(wěn)定性好、性能高、價格便宜，所以選擇它作為附屬模塊的一部分。智能儲物箱所需要完成的工作有：系統(tǒng)電路接口連接、模塊調試及服務器搭建、單片機程序編寫、程序調試與整體調試。2.2智能儲物箱的系統(tǒng)結構首先選好儲物箱的箱體，此次儲物箱箱體為圓柱形，下方安置有電機，可以通過電機控制旋轉儲物箱。攝像頭安裝在儲物箱上方，通過設置好電機旋轉間隔時間，來控制箱體的旋轉角度，再利用攝像頭采集箱子的物品存放信息。再利用windows自帶的IIS（InternetInformationService）搭建web的運行環(huán)境，接著搭建web的服務器網(wǎng)站。然后通過WiFi模塊（Marvell8801芯片）將采集到的物品存放的圖片數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。這樣就可以在電腦上看到儲物箱的存儲情況。圖2-1系統(tǒng)原理圖2.3智能儲物箱硬件系統(tǒng)智能儲物箱所需要的模塊包含STM32單片機控制模塊，圖像采集與上傳模塊，8801WiFi傳輸模塊等。2.3.1STM32單片機我們選擇STM32單片機來充當我們的控制模塊。由于STM32單片機應用廣泛，很容易找到相關的學習資料，且資料齊全、內(nèi)容豐富，可以很容易的學習和使用。適用于開發(fā)STM32的配套軟件也非常的多，并且容易學習。STM32單片機的性價比高，它的性能高、功耗低、價格便宜[9]。STM32F系列芯片使意法半導體（ST）公司出品的一個術語中低端的32位ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3。這個系列的芯片按內(nèi)Flash可以分為三大類：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K和512K）。其最高工作頻率可以到達72MHz。支持串行單線調試（SWD）和JTAG接口[10]。采用LQFP64封裝。工作的溫度范圍在-40℃～85℃。如圖2-2所示，是STM32F103XX系列的LQFP64封裝圖。該芯片呈正方形，每邊各有16個引腳，總共有64個引腳。以下是對64個引腳的介紹：輸入輸出引腳（I/O口）：PA0～PA15，PB0～PB15，PC0～PC13，PD0～PD2。PD0和PD1分別是晶振輸入和晶振輸出，PC13～PC15內(nèi)部連接了模擬開關，只能通過少量電流。電源引腳：VSSA模擬地、VSSA_2～VSSA4數(shù)字地、VDDA模擬電、VDDA_2～VDDA4數(shù)字電；VBTA給RTC和備份寄存器供電。功能性端口：NRST復位引腳、BOOT0模式啟動引腳。圖2-2LQFP64封裝圖2.3.2STM32單片機外圍電路STM32F單片機的外圍電路是由復位電路與外部晶振電路兩部分組成。如圖2-3所示，是單片機的復位電路。復位電路是由一個0.1uF的電容，一個10K的電阻，一個3.3V的電源以及一個按鍵開關組成。復位引腳與STM32單片機的14號引腳RST相接。當開關被按下時，復位端接地，電路完成復位。圖2-3復位電路圖如圖2-4所示，是單片機的外部晶振電路。STM32的8M外部晶振電路是由一個1M的電阻、兩個22pF的負載電容以及一個石英晶體振蕩器組成。STM32的工作頻率最高可以到達168MHz[16]。它是通過內(nèi)部鎖相環(huán)PLL進行頻率倍增，為系統(tǒng)提供高速時鐘。圖2-48M外部晶振電路圖2.3.3WiFi模塊我們使用的WiFi模塊是Marvell公司生產(chǎn)的8801芯片，這是一款新型低功耗WLANSoC，它支持IEEE802.11e網(wǎng)絡標準協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)的效率最高可達72Mbps。而且這款芯片的價格便宜、穩(wěn)定性強、加密方式多，能夠很好的契合我們設計所需要的網(wǎng)絡傳輸功能需求[11]。Marvell8801芯片系統(tǒng)的主要是由四個部分組成：網(wǎng)絡模塊、處理器、主機接口與外部接口。該處理器是高性能的AMR微處理器，并配備了兩個獨立的直接內(nèi)存訪問通道（DMA）。它在處理中斷和系統(tǒng)讀寫過程中起著非常重要的作用，從而減輕了CPU數(shù)據(jù)處理的壓力并提高了整體數(shù)據(jù)傳輸效率。網(wǎng)絡模塊主要由網(wǎng)絡共存和無線局域網(wǎng)兩部分組成。網(wǎng)絡共存是指支持與藍牙設備相互傳輸?shù)哪芰?。WLAN可以分為WLANMac，WLAN基帶，無線加密和無線網(wǎng)絡天線。MAC（介質訪問控制器）是WLAN中最重要的模塊功能。它支持幀數(shù)據(jù)重組和分段，動態(tài)頻率選擇，幀檢查等功能。在通信過程中支持多種調制方式，例如DBPSK，DSSS，OFDM，dqspk，CCK等，獨立的收發(fā)器通道可以優(yōu)化收發(fā)信息，降低噪聲并降低功耗。支持多種數(shù)據(jù)加密模式，例如WPA，WPA2，WEP128bit等。主機接口由SDIO2.0和USB2.0組成，可以適應大多數(shù)具有不同接口的處理器。如圖2-5所示是WiFi模塊的電路圖，8801芯片的WiFi模塊的工作電壓在3.3V，所以引腳5（VCC）接3.3V電源，引腳6（GND）接地。SDIO接口D0～D3接到STM32的PC8～PC11引腳，命令響應引腳8（CMD）接PD2，時鐘引腳3（CLK）接PC12，電源分配引腳4接PD1，復位引腳7（RESET）接PD0。圖2-5WiFi模塊電路圖2.3.4圖像采集模塊此次使用的圖像采集模塊是一個型號為OV2640的圖像傳感器。OV2640圖像傳感器是OV公司生產(chǎn)的CMOSUXGA圖像傳感器，也稱為COMS型數(shù)字圖像傳感器，該圖像傳感器輸出的圖像最高可達200萬像素（1632×1232分辨率）。OV2640是利用SCCB總線控制的小型CMOSUXGA圖像傳感器[12]。該傳感器體積小、工作電壓低，可提供單片UXGA攝像頭和影像處理器的所有功能[13]通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、縮放和取窗口等方式的各種分辨率8/10位影像數(shù)據(jù)[14]。OV2640的圖像數(shù)據(jù)格式一般采用RGB565和JPEG兩種輸出方式。OV2640配備了一個壓縮引擎，可以將原始數(shù)據(jù)流壓縮成JPEG格式輸出，避免了編寫JPEG編碼算法的需要。輸出格式在使用過程中由軟件編程控制，具有較好的可操作性[15]。STM32F407自帶數(shù)字同步并行攝像頭（DCMI）接口，該接口能夠接收外部8~14位CMOS攝像頭模塊發(fā)出的像素數(shù)據(jù)流。STM32F103為OV2640型攝像頭模塊提供的接口如圖2-6所示：圖2-6OV2640模塊電路圖在該接口中使用了微控制器的如下引腳資源：DCMI（D[0:7]）：用于接OV2640型攝像頭模塊的數(shù)據(jù)輸出引腳；DCMI_HSYNC：用于接OV2640型攝像頭模塊的水平同步信號引腳；DCMI_VSYNC：用于接OV2640型攝像頭模塊的垂直同步信號引腳；DCMI_PIXCLK：用于接OV2640型攝像頭模塊的像素時鐘信號引腳[16]。0V2640圖像采集傳感器包括了以下幾個功能模塊：感光陣列：OV2640的最高像素可達200萬，即為1632×1232分辨率。模擬信號處理：可以處理模擬信號，如模擬信號的增益、傳輸信號的補償?shù)?。模?shù)轉換器：可以將接收到的模擬信號轉換為數(shù)字信號。數(shù)字信號處理器：可以處理獲取到的數(shù)字信號，常見處理方式如降噪、飽和度調整、黑白點補償、伽馬調整等。壓縮模塊：可以將獲取得到的初始數(shù)據(jù)圖像轉換成JPEG格式進行輸出。格式輸出模塊：控制輸出的圖像格式。SCCB接口模塊：用來操控攝像頭工作，主要是用作圖像采集模塊的控制系統(tǒng)。微處理器：它本身自帶一個8位的微型處理器，可以靈活接收指令，提升圖像質量。2.4章節(jié)小結 本章主要簡單的介紹了智能儲物箱的使用原理以及設計智能儲物箱所需要的硬件設備，介紹了硬件設備的一些電路圖，簡單的分析了設計智能儲物箱所需要完成的任務。并且介紹了各個模塊的結構以及各個模塊的特點。根據(jù)功能選取各個模塊所需要的型號。下一章節(jié)將會主要介紹智能儲物箱的軟件部分的系統(tǒng)設計。第三章軟件系統(tǒng)設計3.1服務器端流程圖3-1服務器端流程圖如圖3-1所示是智能儲物系統(tǒng)的服務器端流程圖。首先啟動設備，然后對設備進行初始化，再通過delay函數(shù)設定所需要的延時時間，然后通過localtime_s函數(shù)將獲取到的系統(tǒng)時間轉換為當?shù)貥藴蕰r間。完成時間轉換后開始構建網(wǎng)絡，先是通過MAKEWORD宏定義設定sockVersion為2.0版本，然后進行WSA初始化同時驗證版本是否正確，如果不正確則會返回錯誤的函數(shù)值。驗證完成之后開始定義交換信息的通道即設定TCP協(xié)議，協(xié)議簇為TPC/IP-IPv4即IPV4網(wǎng)絡協(xié)議。完成通道設定后同樣需要驗證交換信息的通道是否一致，通道不一致時仍然需要返回錯誤的函數(shù)值。之后需要通過sockaddr_in_addr建立soket的相關信息，總共有三個部分，分別是通訊模式AF_INET、端口號htons8888以及開發(fā)板的IP地址192.168.10.10。完成這些之后開始建立網(wǎng)絡連接，連接不成功同樣會返回函數(shù)值，連接成功則會在運行完程序之后清理掉垃圾信息且自動關閉。之后需要處理攝像頭采集到的圖片數(shù)據(jù)，我們采用定義字符組的方式來存放采集到的圖片數(shù)據(jù)，此次定義了兩個字符組，分別是jpegBuffer1與jpegBuffer2。再設定需要接收圖片的循環(huán)次數(shù)。然后服務器開始發(fā)送指令“GP”到開發(fā)板，請求開發(fā)板發(fā)送圖片數(shù)據(jù)。再發(fā)送指令“KG”，啟動儲物箱下方的電機，接著開始循環(huán)接收開發(fā)板發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包。接著根據(jù)自己的需要設定圖片的存儲位置以及給圖片命名。然后初始化數(shù)據(jù)包數(shù)值，并計算數(shù)據(jù)包的長度是否為10，如果不是10就保存到指定位置，直到開發(fā)板返回命令為10時關閉文件。最后我們通過一個延時函數(shù)來實現(xiàn)定時功能，通過延時函數(shù)實現(xiàn)間隔拍照，防止一次存取物品采集過多的圖片數(shù)據(jù)。完成之后發(fā)送指令“KG”使電機停止轉動，并關閉網(wǎng)絡連接。3.2終端流程圖3-2終端流程圖如圖3-2所示是智能儲物箱的終端流程圖，首先對系統(tǒng)進行初始化，在對OV2640攝像頭初始化，初始化需要的圖像大小、像素等，網(wǎng)絡協(xié)議初始化，初始化網(wǎng)絡協(xié)議通道，I/O口初始化，初始化需要使用的I/O口等。完成初始化之后開始進入工作狀態(tài)，開始檢查服務器發(fā)出的指令，電機接收到指令開始轉動，電腦接受到指令，對傳輸過來的數(shù)據(jù)進行保存，最后再發(fā)送數(shù)據(jù)到服務器。3.3客戶端流程圖3-3客戶端流程圖如圖3-3所示，用戶通過客戶端，連接入局域網(wǎng)，通過登入IP地址進入服務器中設置好的網(wǎng)頁，就可以查看網(wǎng)頁中的采集到的圖像信息。用戶也可以對網(wǎng)站的訪問權限進行設置，選擇安全選項，點擊編輯，輸入對象名為everyone后點擊確定，之后就只需要IP地址即可訪問，無需連接與服務器相同的局域網(wǎng)，這樣用戶可以隨時隨地通過客戶端對網(wǎng)頁進行訪問，更加方便使用。3.4本章小結本章主要介紹了智能儲物服務器、終端以及客戶端的一些流程。描述了這些流程中的一些過程。下一章將介紹智能儲物箱的調試與驗證過程。第四章系統(tǒng)調試與驗證4.1單片機模塊調試與驗證：將OV2640圖像傳感器接在STM32F4單片機上面，再將Marvell8801WiFi芯片同樣接在STM32F4單片機上。接通單片機電源，為單片機、OV2640圖像傳感器以及8801WiFi芯片供電。在電腦端利用MaxidixWiFisuite連接8801WiFi的熱點WIFIBOARD_ADHOC。完成這些步驟之后，打開創(chuàng)思通信，通過創(chuàng)思通信可以看到OV2640圖像傳感器傳輸過來的圖像，單片機模塊就調試成功了。如圖4-1、4-2所示：圖4-1WiFi連接調試圖圖4-2圖像傳輸圖4.2軟件部分的調試與驗證：在VisualStudio中建立一個新的項目，根據(jù)需要實現(xiàn)的功能編寫代碼，本次設計需要實現(xiàn)的功能有：發(fā)送指令控制電機轉動，發(fā)送指令給單片機讓它傳輸采集到的圖片數(shù)據(jù)，最后將圖片數(shù)據(jù)保存在指定路徑。對編寫好的代碼在項目中進行編譯，查看代碼是否有語法上的錯誤。如圖4-3所示，代碼編譯成功。圖4-3代碼調試圖4.3服務器搭建調試與驗證：打開電腦上的【控制面板】，然后找到【程序】?【卸載程序】，之后在面板中找到【打開或關閉window功能】。選擇對應的選項，勾選之后確定。完成之后開始驗證web服務器是否搭建成功，打開瀏覽器，在地址欄輸入“l(fā)acalhost”顯示界面如圖所示：圖4-4localhost圖在瀏覽器輸入“l(fā)ocalhost”之后出現(xiàn)如圖4-4的界面，表示web服務器搭建成功。4.4系統(tǒng)整體調試與驗證：對代碼進行編譯，確認沒有錯誤之后，給單片機接上電源，再把電機轉盤連接到單片機板子上，使單片機為其供電。接著使用MaxidixWiFisuite連接8801芯片發(fā)出的熱點WIFIBOARD_ADHOC。接著使用vs2015運行編寫好的代碼，服務器端會給電機和開發(fā)板發(fā)送指令，成功接受指令后，電機轉盤開始轉動，OV2640圖像傳感器開始采集圖像信息，并通過WiFi發(fā)送給服務器，服務器會將接收到的圖像信息保存在設置好的文件夾。調試結果如圖4-4圖片信息發(fā)送調試圖，以及圖4-5圖片保存調試圖所示:圖4-5圖片信息發(fā)送調試圖圖4-6圖片信息接受調試圖4.5本章小結本章主要介紹了智能儲物箱的各個模塊的調試與驗證過程，下一章將要介紹的是智能儲物箱的結果展示以及論文的一些總結。第五章設計制作成果展示與論文總結5.1設計制作成果展示圖5-1智能儲物箱成果圖（1）圖5-2智能儲物箱成果圖（2）如圖5-1、5-2所示，是本次設計智能儲物箱的成果圖。本次設計的智能儲物箱完成了任務書的全部要求。在儲物箱頂部安置攝像頭，先是通過圖像采集與上傳模塊對存放進儲物箱的物品進行圖像采集，再通過WiFi模塊將采集到的圖片數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，之后用戶可以通過自己的電腦對存儲的物品信息在指定的文件夾中進行查看。在日常尋找物品時可以直接通過查看圖片信息找到所需物品的所在位置，可以節(jié)省用戶大量的時間。5.2論文總結本次設計的智能儲物箱完成了預設的設計要求。將攝像頭安裝在儲物箱頂部，通過設定好的程序采集圖片信息，再通過WiFi模塊傳輸?shù)椒掌?，最終實現(xiàn)在PC端查看圖片信息。本次設計的智能儲物箱在結構上相對簡單，使用起來還有一點瑕疵，由于某些原有一些功能并未從加入其中，只能通過簡單的延時函數(shù)來控制拍照，而不能通過判斷儲物箱是否打開進行拍照。如果條件更加充足，可以對儲物箱的功能進行一些擴展，將這些功能加入其中，儲物箱使用起來會更加方便快捷，也可以使課題完成的更加完美。參考文獻[1]李文闖,楊榮興,李超凡.共享智能指紋儲物柜的研究[J].電子世界,2021(05):35-36.[2]姜科,徐杰生,吳霞.新型智能指紋識別儲物柜控制系統(tǒng)的設計與應用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2016,15(6):77-78.[3]劉聰,劉延春,劉東華等.基于面部識別的智能儲物柜[J].數(shù)碼世界,2019